Die hoofdoel van die gedagte-eksperiment genaamd "Twin Paradox" was om die logika en geldigheid van die spesiale relatiwiteitsteorie (SRT) te weerlê. Dit is die moeite werd om dadelik te noem dat daar eintlik geen sprake van enige paradoks is nie, en die woord self kom in hierdie onderwerp voor omdat die essensie van die gedagte-eksperiment aanvanklik misverstaan is.
Hoofgedagte van SRT
Die paradoks van die relatiwiteitsteorie (die tweeling-paradoks) sê dat 'n "stasionêre" waarnemer die prosesse van bewegende voorwerpe as vertraagd beskou. In ooreenstemming met dieselfde teorie is traagheidsverwysingsraamwerke (raamwerke waarin die beweging van vrye liggame in 'n reguit lyn en eenvormig plaasvind, of hulle in rus is) gelyk relatief aan mekaar.
Die tweelingparadoks in kort
Met die tweede postulaat in ag neem, is daar 'n aanname oor die teenstrydigheid van die spesiale relatiwiteitsteorie. Om toe te laathierdie probleem duidelik, is voorgestel om die situasie met twee tweelingbroers te oorweeg. Een (voorwaardelik - 'n reisiger) word op 'n ruimtevlug gestuur, en die ander ('n huisliggaam) word op planeet Aarde gelaat.
Die formulering van die tweelingparadoks onder sulke omstandighede klink gewoonlik so: volgens die tuisbly beweeg die tyd op die klok wat die reisiger het stadiger, wat beteken dat wanneer hy terugkeer, sy (die reisiger se) horlosie sal agterbly. Die reisiger, inteendeel, sien dat die Aarde relatief tot hom beweeg (waarop daar 'n huismens met sy horlosie is), en uit sy oogpunt is dit sy broer wat die tyd stadiger sal deurbring.
Trouens, albei broers is in gelyke omstandighede, wat beteken dat wanneer hulle saam is, die tyd op hul horlosies dieselfde sal wees. Terselfdertyd, volgens die relatiwiteitsteorie, is dit die broer-reisiger se horlosie wat agter moet raak. So 'n skending van die skynbare simmetrie is as 'n teenstrydigheid in die bepalings van die teorie beskou.
Tweelingparadoks uit Einstein se relatiwiteitsteorie
In 1905 het Albert Einstein 'n stelling afgelei wat sê dat wanneer 'n paar horlosies wat met mekaar gesinchroniseer is by punt A is, een van hulle langs 'n geboë geslote trajek kan beweeg teen 'n konstante spoed totdat hulle weer die punt bereik A (en dit sal byvoorbeeld t sekondes neem), maar op die oomblik van aankoms sal hulle minder tyd wys as die horlosie wat roerloos gebly het.
Ses jaar later, die paradoksale status van hierdie teorieverskaf deur Paul Langevin. "Gewikkel" in 'n visuele storie, het dit gou gewild geword selfs onder mense ver van die wetenskap. Volgens Langevin self is die teenstrydighede in die teorie verklaar deur die feit dat die reisiger na die aarde teruggekeer het teen 'n versnelde tempo beweeg het.
Twee jaar later het Max von Laue 'n weergawe voorgehou dat dit nie die versnellingsmomente van 'n voorwerp is wat betekenisvol is nie, maar die feit dat dit in 'n ander traagheidsverwysingsraamwerk val wanneer dit op Aarde is.
Einstein, in 1918, kon Einstein self die paradoks van twee tweelinge verduidelik deur die invloed van die gravitasieveld op die verloop van tyd.
Verduideliking van die paradoks
Die tweelingparadoks het 'n redelik eenvoudige verklaring: die aanvanklike aanname van gelykheid tussen die twee verwysingsraamwerke is verkeerd. Die reisiger het nie heeltyd in die traagheidsverwysingsraamwerk gebly nie (dieselfde geld vir die storie met die horlosie).
Gevolglik het baie gevoel dat spesiale relatiwiteit nie gebruik kan word om die tweelingparadoks korrek te formuleer nie, anders sou daar onversoenbare voorspellings ontstaan.
Alles is opgelos toe die algemene relatiwiteitsteorie geskep is. Sy het die presiese oplossing vir die probleem gegee en kon bevestig dat uit 'n paar gesinchroniseerde horlosies, dit die wat in beweging is, is wat agter sou raak. Dus het die aanvanklik paradoksale taak die status van 'n gewone een gekry.
Omstrede kwessies
Daar is voorstelle watdie oomblik van versnelling is betekenisvol genoeg om die spoed van die horlosie te verander. Maar in die loop van talle eksperimentele toetse is dit bewys dat onder die invloed van versnelling die beweging van tyd nie versnel of vertraag nie.
Gevolglik toon die segment van die trajek, waarop een van die broers versnel het, slegs 'n mate van asimmetrie wat tussen die reisiger en die huisliggaam voorkom.
Maar hierdie stelling kan nie verduidelik hoekom tyd stadiger word vir 'n bewegende voorwerp nie, en nie vir iets wat in rus bly nie.
Toets deur oefening
Die tweelingparadoksformules en -stellings beskryf presies, maar dit is nogal moeilik vir 'n onbevoegde persoon. Vir diegene wat meer geneig is om praktyk eerder as teoretiese berekeninge te vertrou, is talle eksperimente uitgevoer, waarvan die doel was om die relatiwiteitsteorie te bewys of te weerlê.
In een geval is 'n atoomhorlosie gebruik. Hulle is hoogs akkuraat, en vir 'n minimum desinchronisasie sal hulle meer as een miljoen jaar nodig hê. In 'n passasiersvliegtuig geplaas, het hulle verskeie kere om die Aarde gesirkel en toe nogal 'n merkbare vertraging getoon agter daardie horlosies wat nêrens heen gevlieg het nie. En dit ten spyte van die feit dat die bewegingsspoed van die eerste monster van die horlosie ver van lig was.
Nog 'n voorbeeld: die lewe van muone (swaar elektrone) is langer. Hierdie elementêre deeltjies is 'n paar honderd keer swaarder as gewone deeltjies, het 'n negatiewe lading en word in die boonste laag van die aarde se atmosfeer gevorm a.g.v.werking van kosmiese strale. Die spoed van hul beweging na die Aarde is net effens minder as die spoed van lig. Met hul ware lewensduur (2 mikrosekondes), sou hulle verval het voordat hulle die oppervlak van die planeet aangeraak het. Maar in die proses om te vlieg, leef hulle 15 keer langer (30 mikrosekondes) en bereik steeds die doelwit.
Fisiese oorsaak van paradoks en seinwisseling
Fisika verduidelik die tweelingparadoks in 'n meer toeganklike taal. Tydens die vlug is albei tweelingbroers buite bereik vir mekaar en kan prakties nie seker maak dat hul horlosies gesinchroniseer word nie. Dit is moontlik om presies te bepaal hoeveel die beweging van die reisiger se horlosies stadiger word as ons die seine ontleed wat hulle aan mekaar sal stuur. Dit is konvensionele seine van "presiese tyd", uitgedruk as ligpulse of video-oordrag van die horlosie.
Jy moet verstaan dat die sein nie in die huidige tyd versend sal word nie, maar reeds in die verlede, aangesien die sein teen 'n sekere spoed voortplant en dit 'n sekere tyd neem om van die bron na die ontvanger te beweeg.
Dit is moontlik om die resultaat van die seindialoog korrek te evalueer slegs met inagneming van die Doppler-effek: wanneer die bron van die ontvanger wegbeweeg, sal die seinfrekwensie afneem, en wanneer dit genader word, sal dit toeneem.
Formulering van 'n verduideliking in paradoksale situasies
Daar is twee hoof maniere om die paradokse van hierdie tweelingverhale te verduidelik:
- Aandagoorweging van bestaande logiese konstruksies vir teenstrydighede en identifisering van logiese foute in die ketting van redenasie.
- Voer gedetailleerde berekeninge uit om die feit van tydsvertraging uit die oogpunt van elkeen van die broers te evalueer.
Die eerste groep sluit berekeningsuitdrukkings in wat op SRT gebaseer is en in traagheidsverwysingsraamwerke ingeskryf is. Daar word hier aanvaar dat die momente wat verband hou met die versnelling van beweging so klein is in verhouding tot die totale vluglengte dat dit afgeskeep kan word. In sommige gevalle kan hulle 'n derde traagheidsverwysingsraamwerk bekendstel, wat in die teenoorgestelde rigting beweeg in verhouding tot die reisiger en gebruik word om data van sy horlosie na die aarde oor te dra.
Die tweede groep sluit berekeninge in wat gebou is met inagneming van die feit dat momente van versnelde beweging steeds teenwoordig is. Hierdie groep self word ook in twee subgroepe verdeel: een gebruik die gravitasieteorie (GR), en die ander nie. As algemene relatiwiteit betrokke is, dan word aanvaar dat die vergelyking die gravitasieveld bevat, wat ooreenstem met die versnelling van die sisteem, en die verandering in die spoed van tyd word in ag geneem.
Gevolgtrekking
Alle besprekings wat met die denkbeeldige paradoks verband hou, is slegs te wyte aan 'n skynbare logiese fout. Maak nie saak hoe die toestande van die probleem geformuleer word nie, dit is onmoontlik om te verseker dat die broers hulle in heeltemal simmetriese toestande bevind. Dit is belangrik om in ag te neem dat tyd vertraag juis op bewegende horlosies, wat deur 'n verandering in verwysingsraamwerke moes gaan, omdatgelyktydigheid van gebeure is relatief.
Daar is twee maniere om te bereken hoeveel tyd vertraag het vanuit die oogpunt van elkeen van die broers: die gebruik van die eenvoudigste handelinge binne die raamwerk van die spesiale relatiwiteitsteorie of fokus op nie-traagheidsverwysingsraamwerke. Die resultate van beide berekeningskettings kan onderling konsekwent wees en dien eweneens om te bevestig dat tyd stadiger verloop op 'n bewegende horlosie.
Op grond hiervan kan aanvaar word dat wanneer die gedagte-eksperiment na die werklikheid oorgedra word, die een wat die plek van 'n huismens inneem, inderdaad vinniger oud sal word as die reisiger.
